賦予機器人類(lèi)人感知以導航復雜地形

對頭頂上樹(shù)冠的天然理解有助于我們判斷路徑通向何方。樹(shù)枝的突然斷裂或苔蘚的柔軟墊層告訴我們腳下是否穩定。樹(shù)木倒下的雷鳴聲或強風(fēng)中搖曳的樹(shù)枝讓我們知道附近可能存在的危險。

與此相比，機器人長(cháng)期以來(lái)一直依賴(lài)視覺(jué)信息，如攝像頭或激光雷達來(lái)移動(dòng)。在好萊塢之外，多感官導航對機器來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)挑戰。森林中密集的灌木叢、倒下的樹(shù)干和不斷變化的 terrain，對傳統機器人來(lái)說(shuō)是一個(gè)充滿(mǎn)不確定性的迷宮。

現在，杜克大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為 WildFusion 的新型框架，該框架融合了視覺(jué)、振動(dòng)和觸覺(jué)，使機器人能夠像人類(lèi)一樣“感知”復雜的戶(hù)外環(huán)境。這項工作最近被 IEEE 國際機器人與自動(dòng)化會(huì )議（ICRA 2025）接受，該會(huì )議將于 2025 年 5 月 19 日至 23 日在喬治亞州亞特蘭大舉行。

"WildFusion 為機器人導航和 3D 地圖繪制開(kāi)辟了新篇章，”杜克大學(xué)機械工程與材料科學(xué)、電氣與計算機工程以及計算機科學(xué)系的迪克森家庭助理教授陳 Boyuan 表示?！八鼛椭鷻C器人在森林、災害區域和越野等非結構化、不可預測的環(huán)境中更自信地運行?！?/span>

"傳統機器人主要依賴(lài)視覺(jué)或激光雷達，但在沒(méi)有清晰路徑或可預測地標的情況下，它們往往會(huì )失效，" 主要學(xué)生作者、陳實(shí)驗室二年級博士生劉燕輝補充道。 "即使先進(jìn)的 3D 地圖構建方法在傳感器數據稀疏、嘈雜或不完整時(shí)也難以重建連續地圖，這在非結構化戶(hù)外環(huán)境中是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。這正是 WildFusion 被設計用來(lái)解決的挑戰。"

WildFusion， 基于四足機器人，集成了多種傳感模態(tài)，包括 RGB 攝像頭、激光雷達、慣性傳感器，以及值得注意的是接觸式麥克風(fēng)和觸覺(jué)傳感器。與傳統方法類(lèi)似，攝像頭和激光雷達捕捉環(huán)境的幾何形狀、顏色、距離和其他視覺(jué)細節。使 WildFusion 與眾不同的是它對聲學(xué)振動(dòng)和觸覺(jué)的使用。

當機器人行走時(shí)，接觸式麥克風(fēng)記錄下每一步產(chǎn)生的獨特振動(dòng)，捕捉細微差別，例如干葉的嘎吱聲與泥地的軟泥聲。與此同時(shí)，觸覺(jué)傳感器測量每只腳施加的力度，幫助機器人實(shí)時(shí)感知穩定性或滑膩感。這些額外的感官還得到了慣性傳感器的補充，該傳感器收集加速度數據，以評估機器人在穿越不平整地面時(shí)搖晃、俯仰或滾動(dòng)的程度。

每種類(lèi)型的傳感數據隨后通過(guò)專(zhuān)用編碼器進(jìn)行處理，并融合成一個(gè)豐富表示。WildFusion 的核心是一個(gè)基于隱式神經(jīng)表示概念的深度學(xué)習模型。與將環(huán)境視為離散點(diǎn)集合的傳統方法不同，這種方法連續地建模復雜表面和特征，使機器人能夠在視覺(jué)受阻或模糊時(shí)，就落腳點(diǎn)做出更智能、更直觀(guān)的決策。

"把它想象成解一個(gè)拼圖，有些拼圖塊缺失，但你仍然能直覺(jué)地想象出完整的畫(huà)面，"陳解釋道。"WildFusion"的多模態(tài)方法讓機器人在傳感器數據稀疏或嘈雜時(shí)能夠"填補空白"，就像人類(lèi)所做的那樣。"

WildFusion 在北卡羅來(lái)納州的恩河州立公園進(jìn)行了測試，成功幫助機器人穿越了茂密的森林、草地和礫石路。"看到機器人自信地穿越地形，這讓我感到非常欣慰，"劉分享道。"這些實(shí)地測試證明了 WildFusion 在準確預測可通行性方面的卓越能力，顯著(zhù)提高了機器人在復雜地形中安全路徑?jīng)Q策的能力。"

展望未來(lái)，該團隊計劃通過(guò)整合額外的傳感器（如熱能或濕度探測器）來(lái)擴展該系統，以進(jìn)一步增強機器人理解和適應復雜環(huán)境的能力。憑借其靈活的模塊化設計，WildFusion 在森林小徑之外提供了廣泛的應用潛力，包括在不穩定地形中的災害響應、偏遠基礎設施的檢查以及自主探索。

"當今機器人領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵挑戰是開(kāi)發(fā)不僅能在實(shí)驗室中表現良好，而且能在現實(shí)世界中可靠運行的系統，"陳先生說(shuō)。"這意味著(zhù)即使當世界變得混亂時(shí)，機器人也能適應、做出決策并繼續前進(jìn)。